近年、一部のレンズ設計者は、新しいレンズコーティングでレンズを更新しています。 たとえば、ペンタックスの最新の限定レンズは、より良いレンズコーティングを含むいくつかの改善だけで既存の光学設計を特徴としています。
そのようなレンズをテストするとき、レビューアは一般に、新しいレンズコーティングが画質（特にコントラストとフレア）を大幅に改善することに同意しますが、完全に説明することはありません どうやって レンズコーティングが機能します。 それがこの記事の目的です。
レンズコーティングの起源
歴史的に、コーティングは光学システムの光損失を減らすために導入されてきました。 実際、光が光学媒体から別の媒体に通過するたびに、反射現象のためにエネルギーの一部が失われます。 この反射現象は、川の表面、ガラス、鏡など、2つの材料の間のあらゆるタイプの表面で自然に発生します。 唯一の違いは、反射される光の量です。 ガラスの場合、光の96％が透過し、4％が反射することが一般的に認められています。
これらの数値の背後にある方程式は次のとおりです。
R 反射エネルギーです、 n1 最初の媒体の屈折率（空気の場合は1.0）および n2 2番目の媒体（この場合はガラス）の屈折率。 ガラスの屈折率は通常1.4から1.8の範囲です。 4％の値は、一般的な1.5の屈折率から導き出されます。
この失われたエネルギーは、最初は軽微に見えるかもしれません。 ただし、特定のレンズシステム内のレンズ表面ごとに蓄積されます。 プライムレンズには通常7〜12個の要素が含まれます（各レンズ要素には空気/ガラスとガラス/空気の両方のインターフェースがあるため、約15〜20個のレンズ表面を意味します）が、最新のズームレンズ設計は20個を超える要素を備えています（つまり、およそ40のレンズ面）。
この典型的なプライムレンズは光の半分しか通過させませんが、ズームレンズは入射する光の20％未満しか透過しません。
最初のレンズコーティングは、英国の数学者で科学者のレイリー卿（ジョンウィリアムストラット、第3男爵レイリー）にまでさかのぼることができます。 驚いたことに、彼は1886年に、古い汚れたガラスが新しい汚れのないガラスよりも多くの光を透過することを発見しました。 レイリー卿は、空気/変色と変色/ガラスの2つの連続したインターフェースが、単一の空気/ガラスインターフェースよりも多くの光を透過することを発見しました。 いくつかの特許がこの発見に続き、レンズコーティングは徐々に改善されました。
写真家にとっては、1930年代に大きな改善が見られました。 1935年、ツァイスのエンジニアであるアレクサンダースマクラは、化学物質の多層を使用した最初のコーティングの特許を取得しました。 この設計は、後で説明するように、レンズコーティングの性能を劇的に改善し、前例のないレベルの光学性能をもたらしました。
レンズコーティングは光透過率の改善にどの程度効果的ですか？
レンズコーティングは通常、透過率を約96％から99.7％以上にします。 これは、一般的なプライムレンズが光の95％（50％から）を透過できるようになり、ズームが88％（20％から）を透過できることを意味します。
明らかに、レンズコーティングは低照度写真に大きな改善をもたらします。 写真レンズに使用される光学レンズの数が現代のデザインで増加する傾向があるので、改善はさらに顕著です。 写真撮影の初期にはレンズダブレットを使用するのが一般的でしたが、今日ではコンピューター設計のレンズで15個を超えるレンズ要素を使用するのが一般的です。 その結果、光の透過はレンズ設計者にとってますます重要な問題になっています。
低コントラストとレンズフレアの問題
レンズにコーティングを使用することには他にも利点があります。 伝達されなかったエネルギーは、レンズ内で数回反射され、最終的に最終的な画像に追加されます。 せいぜい、暗い領域は拡散光で照らされるため、ダイナミックレンジとコントラストが低くなります。 最悪の場合、シーンからの強力な光源は、フレアと呼ばれる明るいスポットを画像内に生成します。
2016年、レンズメーカーのツァイス 興味深い実験を行った に レンズコーティングの重要性を示す。 製造元は、まったく同じレンズの2つのコピー、21mm f / 2.8ディスタゴンを製造しました。1つは光学コーティングあり、もう1つは光学コーティングなしです。
T *コーティングされたもの（右）。 アンドレアスによる写真
ボーゲンシュッツとツァイス経由。
以下は、同じ条件で両方のレンズによって取得された画像の一部です。 全体として、コーティングなしのレンズで撮影されたすべての写真の画質は大幅に低下します。
レンズコーティング設計の物理学
コーティングの設計は、さまざまな物理的原理に基づくことができます。 このリストには、インデックスベースの方法、GRIN材料、偏光、回折理論、さらにはメタマテリアルも含まれています…
歴史的に最も単純な形の反射防止コーティングは、透過方程式に戻ります。 ガラスの屈折率（たとえば、1.5）よりも低い屈折率（たとえば、1.3）の媒体を追加することによって、全体の透過率を改善できるようです。
上で提案された単純なコーティングで、96％から97.8％に光透過率を改善することができます。 ただし、このタイプの単層コーティングは、まだ0％の反射にはほど遠いです。
コーティング性能を向上させるために、レンズ設計者は代わりに回折理論を使用する傾向があります。 光の波の性質を使用して、反射を完全にキャンセルするために材料の薄い層を選択できます。 波長の1/4の厚さの層は、ガラスで反射された波が、 ARコーティング。 したがって、2つの波は逆位相でシフトされ、それらの合計はヌルになります。
この理想的なケースにはいくつかの注意点があります。 まず、光は通常、単一の波長ではなくスペクトルで発生します（単一の波長は実際には存在しないため、人工のレーザー光源で見つけることができます）。 可視光の場合、波長は400nm（青色光）から800nm（赤色光）の範囲です。 これは、反射を排除するために必要な厚さが色によって大幅に異なることを意味します。 また、すべての色が均等に透過されないことを意味する場合もあります。これは、レンズコーティングが色かぶりを導入することを意味します。
次に、光線がガラス表面に垂直であると仮定して計算しました。 ただし、実際には、レンズに大きな角度で落下する可能性があります。 角度が導入されるとすぐに、反射防止コーティング内の光路が増加し、その結果、透過率が低下します。
これらの問題を解決するための最良の解決策は、コーティングのいくつかの層を追加することです。 一般的な構造では、1/4波長コーティングと1/2波長コーティングが交互に行われます。 通常7層のコーティングが施されたレンズを使用するのが一般的です。
レンズコーティングはどのように大量生産されていますか？
可視光の波長は約500nmで、レンズコーティングは通常100nmから250nmの薄層です。 これを概観すると、平均的な人間の髪の毛は約1000倍太いです。
層はガラス全体で均一であると想定されているため、層の厚さは数パーセントしか変化しません。 このステップは、ガラスが切断されて最終的な形状に研磨されるまで実行できません。そうしないと、研磨プロセスによってコーティングが除去されるためです。
現代の工業プロセスは、蒸着技術を使用しています。 それは通常、蒸発させる化学物質を含む真空チャンバー内で行われます。
これは、この目的のために設計されたマシンの短いビデオです。
システムの上部に、コーティングの準備ができているレンズのセットが表示されます。 これらのレンズは、反射防止コーティングの層を均一にするために、コーティングプロセスを通じて回転します。
結論
レンズコーティングの科学はほぼ100年前のものです。 それでも、このトピックはまだ活発に研究されています。 最近話題となっているメタマテリアル技術は、既存のレンズコーティングに比べて改善の可能性をもたらす可能性があります。
レンズ設計の複雑さが増していることを考えると、レンズコーティングの進歩は、光の透過率と画像のコントラストも向上させるため、最善を尽くします。
著者について：Timothee Cognardは、フランスのパリを拠点とする光学の専門家兼写真家です。
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